多孔介質(zhì)污染物遷移動(dòng)力學(xué)

1、多孔介質(zhì)污染物遷移動(dòng)力學(xué)題目：有機(jī)污染物在多孔介質(zhì)中的遷移一、有機(jī)污染物的介紹土壤、地下水中的有機(jī)污染物主要以自由態(tài)、揮發(fā)態(tài)、溶解態(tài)和殘留態(tài)等四 種形態(tài)存在，其中殘留態(tài)的部分是最難以去除的，殘留量的多少是關(guān)系治理費(fèi)用 及治理時(shí)間長(zhǎng)短的最關(guān)鍵因素。本文以柴油為代表，對(duì)地下水飽和區(qū)中有機(jī)物的 殘留進(jìn)行了試驗(yàn)?zāi)M，與非飽和區(qū)的殘余飽和度進(jìn)行了比較，揭示了飽和區(qū)中有 機(jī)污染物殘余的特點(diǎn)，并深入分析了其機(jī)理。結(jié)果表明，砂性介質(zhì)中，地下水飽 和區(qū)中有機(jī)污染物的殘余飽和度顯著大于非飽和區(qū)中的殘余飽和度，因此可以有 效地利用這一特性，通過(guò)降低地下水位使飽和區(qū)中部分殘留態(tài)污染物轉(zhuǎn)化為自由 態(tài)，提高去除效率 ;與

2、非飽和區(qū)中多孔介質(zhì)粒徑越小，殘留量越大的特性相反， 飽和區(qū)中測(cè)得的殘余柴油飽和度隨介質(zhì)粒徑的增大而增大。不同水位變動(dòng)速度的 試驗(yàn)結(jié)果表明，水位變動(dòng)速度對(duì)粘性大于水的柴油的殘余飽和度影響可以忽略不 計(jì)。近年來(lái)，有關(guān)有機(jī)污染物泄漏后污染土壤和地下水的報(bào)道越來(lái)越多，特別是 在工業(yè)化發(fā)達(dá)國(guó)家，有機(jī)物對(duì)土壤，地下水污染的研究和治理工作已成為當(dāng)前環(huán) 境保護(hù)工作中最為重要的一個(gè)方面。由于有機(jī)物難溶于水并難于自然降解的特 性，泄漏進(jìn)入環(huán)境后，可能在自然環(huán)境中存留幾年至數(shù)十年之久，污染人類賴以 生存的土壤和地下水資源，破壞當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)，威脅人體健康。由于有機(jī)污染物在水中溶解度小，在研究和治理中被統(tǒng)稱為非水相流體

3、，即Non -aqueous PhaseLiquids,簡(jiǎn)稱NAPLS。對(duì)此類污染物在地層中分布進(jìn)行數(shù) 值模擬時(shí)，基本都采用多相流理論 。事實(shí)上，除了多相流動(dòng)外，絕大多數(shù)有機(jī) 污染物在地下還會(huì)溶解和揮發(fā) 。盡管其溶解度相對(duì)于無(wú)機(jī)物而言可能很小,但 由于絕大部分有機(jī)物的毒性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出無(wú)機(jī)物,其溶解度相對(duì)于用水標(biāo)準(zhǔn)而言往往 會(huì)高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。如目前已發(fā)生的有機(jī)污染事故中很有代表性的污染物三 氯乙烯(TCE),它在水中的溶解度約為1000mg/L，而其飲用水標(biāo)準(zhǔn)是以口 g/L 計(jì)的 。因此,從環(huán)境保護(hù)的角度出發(fā),有機(jī)污染的相變(即溶解和揮發(fā))也是不 容忽視的。概括而言，有機(jī)污染物在地層中的存在形態(tài)可以

4、分為四種，即自由態(tài) （ 指在重力作用下能自由移動(dòng)的部分）、溶解態(tài)、揮發(fā)態(tài) （分別指溶解到地下水 中和揮發(fā)到土壤氣中的部分）和殘留態(tài) （ 指在污染物流經(jīng)的地方，被吸附、截留 在原地的部分）。殘留在地層介質(zhì)中的有機(jī)污染物，由于物理、化學(xué)、生物吸附以及界面在張 力、粘性作用下的截留，會(huì)長(zhǎng)期存在自然環(huán)境中，并不斷地溶解于流經(jīng)的地下水 中或是揮發(fā)進(jìn)入土壤氣，使污染范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，對(duì)土壤、地下水構(gòu)成長(zhǎng)期的威 脅。當(dāng)前發(fā)展的各種有機(jī)污染的就地處置技術(shù)，如土壤氣吸出、地下水曝氣、活 性劑溶液沖洗、生物降解等,重點(diǎn)都是圍繞如何更加有效地去除殘留態(tài)的部分而 展開(kāi)的，殘留量的多少是關(guān)系治理費(fèi)用和制定合理的治理方案的

5、關(guān)鍵因素。關(guān)于非飽和多孔介質(zhì)中有機(jī)物的殘留，Concawe的結(jié)果被廣泛地用于估算不 同污染物在不同多孔介質(zhì)中的殘留，但是關(guān)于有機(jī)物在多孔介質(zhì)飽和區(qū)中殘留的 研究還十分鮮見(jiàn)。實(shí)踐中，污染物的殘留不僅在非飽和區(qū)中發(fā)生，在飽和區(qū)中也 會(huì)發(fā)生。如重質(zhì)有機(jī)污染物（DNAPL）滲透到地下水面時(shí)，由于其密度比水的大， 有些會(huì)直接進(jìn)入地下水中，穿過(guò)含水層使部分污染物殘留在地下水飽和區(qū)中；輕 質(zhì)有機(jī)污染物（LNAPL）雖然漂浮在地下水面上，但由于降雨、蒸發(fā)、氣壓等因素， 地下水位總是處在不停的上下變動(dòng)中，此時(shí) LNAPL 的透鏡體也必然隨著地下水 位的上下變動(dòng)而變動(dòng)，當(dāng)?shù)叵滤辉俅翁?，必然?huì)有污染物殘留在地

6、下水飽 和區(qū)中Tod指出有些地區(qū)長(zhǎng)期的地下水位上下變動(dòng)可能高達(dá)十多米，這一自然 現(xiàn)象必然使污染物殘留的范圍顯著擴(kuò)大。二、多孔介質(zhì)污染物遷移動(dòng)力學(xué)介紹多孔介質(zhì)污染物遷移動(dòng)力學(xué)是環(huán)境科學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)和工程地質(zhì)學(xué)、土力學(xué) 和土壤水力學(xué)、石油工程學(xué)等學(xué)科的重要理論基礎(chǔ)，在環(huán)境污染防治、水利工程、 石油工程、地下水資源開(kāi)發(fā)和管理、區(qū)域環(huán)境管理等多方面得到了廣泛應(yīng)用。近 年來(lái)，土壤和地下水污染呈加重趨勢(shì)，已對(duì)我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量 構(gòu)成嚴(yán)重威脅。土壤和地下水的污染源眾多，美國(guó)環(huán)保局的研究報(bào)告列舉的污染 源有六大糞30余種。工業(yè)污染源包括工業(yè)廢渣、石油類、重金屬類、放射性廢 物等，農(nóng)業(yè)污染源包括農(nóng)

7、藥、化肥、污水回灌等，生活類污染源包括生活污水、 垃圾堆場(chǎng)和填埋場(chǎng)等，礦業(yè)污染源包括礦坑水和礦渣等，養(yǎng)殖業(yè)污染源包括養(yǎng)殖 糞便和廢水等，此外，濱海區(qū)抽取淡水造成的海水入侵也構(gòu)成了地下水污染源。 多孔介質(zhì)污染物遷移動(dòng)力學(xué)為揭示污染物在介質(zhì)中的遷移規(guī)律奠定了基礎(chǔ)，同時(shí) 也為受污染土壤和地下水的修復(fù)提供了模擬分析方法。多孔介質(zhì)污染物遷移動(dòng)力學(xué)涉及的內(nèi)容比較寬廣，主要的內(nèi)容如下：討論流體運(yùn)動(dòng)和污染物遷移的理論基礎(chǔ)。主要研究?jī)?nèi)容是內(nèi)容包括多孔介 質(zhì)的定義、類型和性質(zhì)；流體的物理力學(xué)性質(zhì)；滲流的Darcy定律、分量表示式 及其適用范圍；各向異性滲透系數(shù)的計(jì)算方法；流函數(shù)、勢(shì)函數(shù)和流網(wǎng)；包氣帶 土壤性質(zhì)和非

8、飽和Darcy定律；污染物的對(duì)流遷移和水動(dòng)力彌散；宏觀彌散與尺 度效應(yīng)；污染物的吸附、解吸和滯留作用；等溫吸附模式和非平衡吸附作用；多 孔介質(zhì)中的離子交換作用、化學(xué)生物反應(yīng)、單相反應(yīng)、化學(xué)平衡反應(yīng)、動(dòng)態(tài)化學(xué) 反應(yīng)、放射性衰變、父子鏈反應(yīng)和多組分快速反應(yīng)等。討論水運(yùn)動(dòng)和污染物遷移的控制方程和數(shù)學(xué)模型，介紹數(shù)學(xué)模型方法，其 次討論水運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的控制方程和常用數(shù)學(xué)模型，包括承壓水和潛水二維流微分方 程、三維流微分方程、非飽和流微分方程、飽和一非飽和流聯(lián)合微分方程和二維、 三維問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型。再次討論污染物遷移的對(duì)流彌散方程和含有吸附解吸、 化學(xué)生物反應(yīng)、零階和一階源匯項(xiàng)的污染物遷移微分方程的一般形式，

9、以此方程 為基礎(chǔ)可以得到各種條件下物質(zhì)遷移、轉(zhuǎn)化的控制方程。最后，討論污染遷移問(wèn) 題的數(shù)學(xué)模型，包括初始條件、邊界條件、常用數(shù)學(xué)模型等。討論水運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的解析解，包括承壓水和潛水含水層以及越流系統(tǒng)中 水運(yùn)動(dòng)的一維穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流解析解；完整井穩(wěn)定流的 Dupuit 公式和越流系 統(tǒng)中的穩(wěn)定井流公式；疊加原理、干擾井群和雙井系統(tǒng)問(wèn)題；完整井非穩(wěn)定流的 Theis公式和大口徑井流的P叩adopuloscOOpe,公式；各向異性介質(zhì)中完整 井流的Papadopulos模型解和Hantush方法；非穩(wěn)定越流系統(tǒng)中的井流解析解； 潛水井流的N。uman公式；鏡像法原理和邊界附近井流問(wèn)題的解；水平井井流

10、問(wèn) 題的解析解；標(biāo)準(zhǔn)曲線配線法和直線法等多種求參數(shù)方法。討論污染物遷移問(wèn)題的解析解,包括定濃度注入問(wèn)題、瞬時(shí)注入問(wèn)題和給 定對(duì)流彌散通量問(wèn)題的一維和二維遷移問(wèn)題解析解；平面徑向流場(chǎng)中污染物遷移 問(wèn)題的解析解；三維擴(kuò)散問(wèn)題的基本解和瞬時(shí)注入問(wèn)題的解析解；點(diǎn)、線、面、 體源作用下的二維和三維遷移問(wèn)題的解析解庫(kù)；多組分鏈?zhǔn)椒磻?yīng)遷移問(wèn)題的解析 解和有機(jī)污染生物修復(fù)問(wèn)題的降解去除率等。以解析解為基礎(chǔ)，討論了配線法、 直線法、拐點(diǎn)法和彌散暈法等常規(guī)求參數(shù)方法，此外還給出了廣為適用的試算擬 合求參數(shù)方法。討論求解水運(yùn)動(dòng)和污染物遷移數(shù)學(xué)模型的常用數(shù)值方法有限差分法。 主要內(nèi)容可分為兩部分，第一部分是水運(yùn)動(dòng)問(wèn)題

11、和彌散作用為主污染物遷移問(wèn)題 的有限差分法，包括差分的概念、差分格式的收斂性及穩(wěn)定性；一維、二維、準(zhǔn) 三維和三維水運(yùn)動(dòng)和污染物遷移問(wèn)題的有限差分格式和求解方法；潛水問(wèn)題、剖 面問(wèn)題和非飽和問(wèn)題的數(shù)值方法；流函數(shù)模型的差分方程；含有吸附解吸作用 和多組分復(fù)合化學(xué)反應(yīng)問(wèn)題的數(shù)值方法等。第二部分在介紹數(shù)值解的振動(dòng)與數(shù)值 彌散的基礎(chǔ)上，討論對(duì)流作用為主污染物遷移問(wèn)題的有限差分法，包括上游加權(quán) 法，Taylor法，特征線法，數(shù)值誤差修正方法，對(duì)流項(xiàng)的高精度差分格式，總 變化趨小(TVD)方法和質(zhì)點(diǎn)示蹤法等。討論求解水運(yùn)動(dòng)和污染物遷移數(shù)學(xué)模型的另一種常用數(shù)值方法有限 單元法。內(nèi)容也可分水運(yùn)動(dòng)問(wèn)題和彌散作用為主污染物遷移問(wèn)題的有限單元法和 對(duì)流作用為主污染物迂移問(wèn)題的有限單元法兩部分。第一部分的內(nèi)容包括求解一 維水運(yùn)動(dòng)和污染物遷移問(wèn)題加權(quán)余量Galerkin有限元法，求解二維問(wèn)題的三角 形單元法和等參數(shù)元法和求解三維問(wèn)題的 Galerkin 有限元法等。第二部分的內(nèi) 容包括上游加權(quán)有限單元法，上游加權(quán)最小二乘法， TaylorGalerkin 有限元 法，算子分裂法，上游加叔多單元均衡法，特征線分裂法以及混合有限元和有限 差算子分裂法等。第五章和第六章詳細(xì)